机器人手腕的系列分享之二

由于其紧凑，机械简单和重量轻的缘故，被动式单自由度腕关节假体已成为最常见的腕部设备。这些装置可大致分为两类，即旋转器和屈肌。旋转器用于使终端设备沿前臂的纵向放出或滚动，而屈肌使终端设备弯曲或俯仰。被动旋转器是这两类中的第一类，也是最常见的一类。为了增强它们的功能，这些设备通常包括附加功能。例如 OB棘轮式旋转手腕，如图(a)所示，被动腕部装置的锁定也可以通过使用不可反向驱动的机构来实现。

被动屈肌是第二类被动单自由度手腕，通常是在离散屈肌间隙锁定的装置。商业上可用的锁定屈肌包括HD屈肌摩擦腕、OB肌腕经掌骨和二触点OB肌腕。这种性质的锁定手腕通常与身体供电的终端设备配合使用，因为驱动终端设备的电缆不会导致手腕改变其位置。为了获得更连续的运动，具有屈曲的OB适配器包含一个摩擦盘，在有限的载荷下将手腕保持在弯曲位置。尽管在假手中有特殊的集成，但是触摸仿生（TB）弯曲手腕在某些弯曲位置提供锁定，并且在解锁时提供弹簧加载的弯曲。

上述被动旋转器都需要外力来旋转终端设备，而且还需要获得附加功能，对于双侧截肢者来说这可能是个问题，他们在使用非接触性对侧手臂调整被动手腕时可能会遇到更大的困难。

为减轻被动假肢的某些问题，动力假肢手腕采用Bowden电缆系统来控制手腕，人体动力系统包括与线束连接的电缆，该电缆既可以用来致动假肢手腕，也可以用来触发运动锁定机构。HD旋转手腕[图(b)]使用电缆解锁和旋入手腕。旋前受到扭簧的阻力，扭簧倾向于旋腕，释放拉线上的张力可重新接合锁。诸如OB棘轮式旋转系列中详述的装置都利用弹性元件使手腕在解锁时返回中性旋前位置。因此，用户不需要用另一只手来解锁手腕。

主动单自由度腕部通常在假肢和机器人应用中都能找到。在假肢领域，这些系统通常与EMG系统一起使用，使用户能够通过肌肉信号控制旋转。活动手腕可以是独立的单元集成到假手中，或者集成到较大假手中的前臂中。与被动手腕类似，主动单自由度装置也可分为旋转器和屈肌。主动旋转器是腕部假体中最常见的动力装置。独立设备包括运动控制电动旋转器和OB腕部旋转器，如图(c)所示，这两种设备都是为与许多终端设备兼容而设计的，因而得到了相对广泛的应用。OB-Michelangelo手和TBi-Limb Quantum都使用紧凑的旋转器，即轴旋转和俯卧旋转[图(d)]，它们分别安装在各自手的假体窝和下手掌中，主动屈肌也往往纳入现有的机器人手或终端设备系统。

由于单自由度腕部在运动上等同于单转动关节，因此并联机构一般不用作单自由度腕部装置。与并联装置相比，串联装置的机械简单性超过了使用单自由度并联机构的潜在好处。然而，单自由度并联机构常被用于其他装置，如踝关节假体。与被动腕部相比，主动单自由度腕部在设计中的长度要大得多，尤其是旋转腕部。主动式单自由度手腕要么是独立的腕关节假体，要么是手部设计中的附加功能，但是单自由度单元在所有领域的共同性就是保证体积最小化的同时提高了截肢机器人的扭力和主动力。